Часть первая. В мире небесных тел [1938 Прянишников В.И. - Занимательное мироведение в вопросах и ответах]

1. Вы часто видите узкий серп Луны. Попробуйте изобразить на рисунке взаимное расположение Солнца, Земли и Луны в этот момент.

Многие неправильно объясняют обычное астрономическое явление - фазы Луны. Девять человек из десяти, наверное, изобразят Луну неправильно, объясняя ежемесячные изменения Луны - затмеванием ее Землей. Это, однако, совершенно неверно.

Если бы земная тень покрывала Луну, то Земля должна была бы находиться между Луной и Солнцем, - однако часто бывает, что серп Луны на небе виден недалеко от Солнца. Значит, земная тень здесь ни при чем. Кроме того, часто, когда мы видим половину лунного диска, граница света и тени совершенно прямолинейна: этого бы не могло быть, если бы земная тень покрывала Луну (Земля - шар, и тень ее всегда круглая).

Рис. 1. Фазы Луны

Если Луна находится в той части неба, где находится Солнце (рис. 1, положение № 1), она нам не видна (новолуние). Через 2-3 дня Луна отодвинется от Солнца влево, и вечером при заходе Солнца можно заметить узкий серп Луны (с Земли уже видна некоторая освещенная часть Луны, см. положение № 2). Через 7 суток с лишним после новолуния мы видим половину круга Луны. Почти через 15 суток после новолуния наступает полнолуние: Луна в это время находится против Солнца (№ 5) и видна полным кругом.^* Далее диск Луны ущербляется: приблизительно через 7 суток после полнолуния мы опять видим полумесяц, который затем, через несколько дней, приблизившись к Солнцу, бывает видим как узкий серп справа от Солнца - перед восходом.

Каждый из вас может с помощью глобуса сам устроить подобие лунных фаз. Для этого необходимо, чтобы свет в комнате шел с одной стороны. Можно увидеть все фазы, если, держа глобус в вытянутой руке, сделать с ним полный поворот, не сходя с места (повернуться вокруг оси). Наблюдая в это время за глобусом, легко обнаружить фазы, подобные лунным. За неимением глобуса, можно продемонстрировать фазы на яблоке или на каком-нибудь шаре, подвешенном к нитке.

Объяснения вроде: "действует закон всемирного тяготения", или "Луну тянет к себе Земля, а Солнце "оттягивает" ее в противоположную сторону", или "положение Земли в пространстве объясняется всемирным равномерным тяготением окружающих ее тел" и т. д. - неполны или неверны.

В действительности Луна "падает" на Землю все время, но она одновременно непрерывно обращается вокруг Земли.^* В результате своего почти кругового движения Луна отдаляется от Земли по касательной (закон инерции), но вследствие взаимного притяжения - она в то же время сближается с Землей. Если бы Луна не обращалась вокруг Земли, то столкновение с Землей было бы неизбежно, а если бы не было взаимного притяжения, Луна давно бы улетела в пространство (по касательной к круговому пути). Наконец, если бы при том же взаимном расстоянии Луны и Земли действие силы притяжения было больше, чем на самом деле, Луна упала бы на Землю, а если бы притяжение почему-либо уменьшилось (или скорость обращения Луны увеличилась), она бы улетела в пространство. Такое же "равновесие" существует и для Земли, которая "падает" на Солнце и "улетает" от него по инерции.

^*( Слово вращение относится к движению вокруг своей оси; обращение - движение вокруг какого-нибудь постороннего тела)

Движение Луны вокруг Земли можно пояснить полетом снаряда при выстреле из воображаемой сверхмощной пушки, помещенной на воображаемой высокой горе земного шара (рис. 2).

Рис. 2. Стрельба из воображаемой пушки

1-й случай. Снаряд, выброшенный в горизонтальном направлении, вследствие притяжения описал кривую траекторию и упал на земную поверхность в точке I. В данном случае кривизна линии полета была довольно значительна, гораздо больше кривизны земного шара.

2-й случай. Снаряд выброшен с еще большей скоростью и, пролетев больший путь, упал в точке II.

В этом случае кривизна траектории снаряда меньше.

3-й случай. Если кривизна траектории снаряда будет такой же, как и кривизна окружности земного шара, то снаряд не упадет на Землю и сделается ее спутником, подобно Луне.

( Примечание: Для этого необходимо, чтобы снаряд получил начальную скорость 7,9 км в сек. (См. Я. И. Перельман: "Занимательная физика" или "Межпланетные путешествия").)

Попробуйте перерисовать для ясности рис. 2 в любом масштабе. Попутно разрешите и такой вопрос: во сколько раз нарисованная вами гора (если бы последняя существовала на Земле) выше Эвереста? (Диаметр земного шара равен 12 740 км, а высота Эвереста 8850 метров).

Смерив линейкой высоту горы, изображенной на рисунке, узнаем, что она составляет 1/7 часть радиуса Земли, - следовательно, ее высота равна в километрах 6 370:7=910 км.

Уже этот пример показывает вам ничтожную величину возвышенностей на земном шаре сравнительно с его радиусом.

Если наблюдать нашу Землю даже с ближайшего небесного тела - Луны, нельзя было бы заметить и самых высоких гор: они слились бы с линией поверхности земного шара.

Этот частый вопрос аудитории ошибочен. Притяжение нигде не оканчивается, а лишь ослабевает обратно-пропорционально квадрату расстояния. Следовательно, если мы поднимемся над Землей на высоту радиуса земного шара (6370 км), то сила притяжения уменьшится в 4 раза. При удалении от центра Земли на 3 радиуса, притяжение уменьшится в 9 раз и т. д. Притяжение заметно уменьшается, но никогда не исчезает; оно может стать очень малым, практически, быть может, и незаметным, по все же будет существовать и может быть вычислено. Однако, при удалении от Земли можно приблизиться к другому небесному телу настолько, что притяжение его окажется уже больше земного, тогда предмет (например, межпланетный корабль) будет во власти притяжения этого небесного тела.

Рассмотрим эту задачу для случая воображаемого перелета с Земли на Луну.

На каком расстоянии от Земли притяжение Земли и Луны сравняется?

Известно, что масса Земли больше массы Луны в 81 раз, а среднее расстояние от Земли до Луны равно 384000 километров.

Рис. 3. В точке Н Земля и Луна притягивают одинаково

Закон всемирного тяготения гласит: "Сила тяготения прямо-пропорциональна массам и обратно-пропорциональна квадрату расстояния между телами". Следовательно, если наш межпланетный корабль окажется без движения в точке С (середина расстояния между Землей и Луной) (рис. 3), - он будет падать на Землю, масса которой значительно больше массы Луны. Рассмотрим случай, когда корабль окажется в точке Н, находящейся в 9 раз ближе к Луне, чем к Земле. Притяжение корабля Луною с приближением к Луне увеличится, а с приближением к Земле (с увеличением расстояния) - уменьшится. В точке Н, в результате указанной разницы расстояний, притяжение к Луне будет в 81 раз больше, чем к Земле (9•9). Но масса Земли больше массы Луны тоже в 81 раз, и это уравновешивает лунное притяжение. Следовательно, точка H-нейтральная точка; здесь притяжение к Земле и к Луне будет одинаково. Наш межпланетный корабль не сможет ни попасть на Луну, ни вернуться на Землю. Это произойдет на расстоянии 38400 километров от Луны. Если же корабль еще приблизится к Луне, он упадет на нее; если не долетит до нейтральной зоны, - возвратится на Землю.

4. "Над головой у нас "верх", под ногами - "низ". А где же "верх" и "низ" на другой стороне Земли?"

Такой вопрос также часто слышишь от аудитории.

"Верха" и "низа" во Вселенной нет: все, что над нами, мы условно называем верхом, а противоположное направление низом. В каждой точке на Земле, на Луне, на планетах и т. д. есть свой "верх" и свой "низ".

Направление притяжения всех предметов ведет к центру Земли. Это можно доказать ниткой с грузом. Это направление совпадает (приблизительно) с радиусом Земли, радиусы же все сходятся в центре земного шара. Подобное же направление притяжения (по радиусам внутрь) будет и на Луне, и на любом другом небесном теле (рис. 4, 5).

Рис. 4, 5. Где 'верх' и 'низ' на Земле и Луне?

В средние века многие ученые и церковники возражали против учения о шарообразности Земли (хотя это было доказано на тысячу лет ранее) и считали это учение нелепым. "Если Земля шар, - рассуждали средневековые мудрецы, - то на другой стороне люди должны ходить ногами вверх, деревья должны расти кроной вниз, дождь - падать вверх, а кораблю пришлось бы взбираться так круто в гору (из-за шаровидности Земли), что никакой ветер не мог бы двигать судно таким образом", и т. д. Однако, самым главным доводом служило то, что шарообразность Земли нельзя было "согласовать с церковным "учением" о воскрешении, так как покойники на другой стороне Земли должны были бы ... восставать ногами вверх"...^*

^*( Пойнтинг, Земля, ее форма, вес и вращение.)

5. Почему неверно доказывать шарообразность Земли кругосветными путешествиями?

Кругосветные путешествия не являются доказательством шарообразности Земли: они убеждают нас только в том, что Земля ограничена в пространстве.

Рис. 6. Кругосветное путешествие по 'Земле', имеющей кубическую форму

Действительно, вообразим себе Землю в виде куба (как в свое время учил греческий философ Платон). Предположим, что путешественник отправился из точки А (рис. 6) в кругосветное путешествие, идя все время в одном направлении, указанном стрелкой. Нетрудно убедиться, что он "вернется в то же самое место, но с другой стороны" и... не докажет шарообразности нашей планеты.

То же самое получится и с любой иной фигурой.

Другое, еще более распространенное "доказательство" шарообразности - вид удаляющегося или приближающегося корабля на море. Но стоит только вдуматься в смысл объяснений о приближающемся или удаляющемся судне, как станет понятным поверхностность и неполнота этого сильно распространенного суждения. Действительно, взглянув на рисунок 7, вы в этом убедитесь.

Рис. 7. Земля была бы выпуклой, если бы она имела яйцеобразную форму

Если бы Земля имела форму дыни, яйца, огурца или любой выпуклой фигуры, то всем известное явление (уменьшение корпуса корабля при удалении, появление мачт при приближении) также наблюдалось бы, хотя фигура Земли значительно отличалась бы от шара.

Открытый круглый горизонт, строго говоря, также еще не доказательство шарообразности. В самом деле, подумайте, какую бы форму принял видимый горизонт, если бы Земля была плоской? Он имел бы также форму круга.

Укажем, наконец, на менее распространенную, но наиболее серьезную ошибку - это ссылка на куполообразность небесного свода. Если бы мы жили не на шаре, а на кубе или иной фигуре, или если бы могли взглянуть в окно межпланетного корабля при путешествии по мировому пространству, мы везде видели бы такой же купол "неба". форма границ небесного свода есть свойство нашего зрения (видеть во все стороны до известного предела) и совершенно не зависит от формы Земли.

Каковы же истинные доказательства шарообразности Земли?

При поднятии от поверхности Земли границы видимости расширяются по кругу.

При путешествии к северу или к югу изменяется вид неба: впереди открывается новый участок неба, появляются новые звезды, а сзади участок неба такого же размера закрывается. Объясняется это равномерной кривизной (выпуклостью) Земли, которая скрывает часть звездного неба. По той же причине Солнце различно стоит на небе в полдень в разных местах, лежащих одно севернее другого: в более южном месте оно выше на столько градусов, на сколько место лежит южнее.

Лунные затмения. Это доказательство приведено было впервые еще Аристотелем. Когда Луна будет находиться точно против Солнца (Земля очутится между этими двумя светилами) и если центры Луны, Земли и Солнца окажутся на одной прямой, то произойдет лунное затмение: конус земной тени закроет частично или полностью Луну. На Луну будет падать круглая тень от Земли; эго и доказывает шаровидность последней. Хотя земная атмосфера дает расплывчатые очертания тени, все же округлость последней видна достаточно ясно.

Всякая жидкость стремится к шарообразной форме; ее подвижные частицы - молекулы, под действием сил взаимного притяжения, все стремятся к центру, образуя фигуру с наименьшей поверхностью, то-есть шар. Земля в далеком прошлом находилась в расплавленном состоянии, а потому должна была принять шарообразную форму, подобно Солнцу, Луне, планетам и многим миллиардам звезд.

6. Какие вы знаете доказательства вращения Земли вокруг своей оси?

Автору пришлось убедиться, что почти все считают таким доказательством смену дня и ночи. Но это неверно, так как то же явление легко объясняется и при неподвижности Земли.

Приведем ряд физических доказательств и логических соображений, относящихся к вращению Земли вокруг оси.

Опыт с маятником фуко (впервые произведен в 1851 г. в Париже). Маятник - груз, свободно висящий на длинной нити, - при качании неизменно сохраняет плоскость своего качания. Прикрепленный к потолку высокого здания, он переносится в пространстве вместе со зданием благодаря вращению Земли, но и при этом продолжает качаться в плоскости, параллельной первоначальной.

Французский ученый, физик Фуко, прикрепил к кругу маятника острие, а на полу у краев круга были насыпаны песчаные валики. При качании маятника острие оставляло на песке новые и новые следы. Этот опыт, несомненно, доказывает вращение Земли, так как при каждом качании оставался новый след (здание вращается вместе с Землею, а направление качания маятника остается прежним). При опыте Фуко в Париже длина маятника была 67 метров; груз весил 28 килограммов. Чем длиннее нить маятника, тем медленнее происходит качание.^* Чем дальше от экватора производится опыт, тем кажущееся отклонение маятника значительнее. На каждом из полюсов расхождение между начальным направлением качания маятника и направлением спустя час составляет 15^о. На экваторе никакого отклонения маятника нет.^**

^*(Приводим для любителей математики формулу маятника.

π - 3,14 отношение длины окружности к диаметру).)

^**(Величина часового отклонения маятника на любой широте определяется по формуле 15^о. sin φ, где φ - широта места.)

Рис. 8. Демонстрация опыта Фуко в Ленинграде (в бывш. Исаакиевском соборе)

В настоящее время опыт Фуко, шире и нагляднее чем где-либо, демонстрируется с 1931 г. в Ленинграде в Гос. антирелигиозном музее (бывший Исаакиевский собор). Длина маятника 98 м; груз 60 кг. (см. рис. 8).

Сжатие Земли у полюсов. Земля сжалась в далеком прошлом, когда была еще в расплавленном состоянии; от действия центробежного эффекта экваториальная часть несколько удалилась от оси вращения, а полюсы, следовательно, сблизились.

Уменьшение силы тяжести с приближением к экватору. Действие центробежной силы сказывается и в настоящее время в уменьшении напряжения тяжести с приближением к экватору. Значит, Земля вращается. Проверяется это особенно точно с помощью специального маятника.

Пассатные ветры и спиральное движение воздуха в циклонах и антициклонах можно объяснить только вращением Земли вокруг оси.

Отклонение падающих с большой высоты тел к востоку - указывает на вращение Земли и направление этого вращения, также как и особое размывание берегов рек (правый берег размывается больше в северном полушарии; левый больше - в южном).

И, наконец, подкрепим вышесказанное следующими логическими соображениями.

Если бы Земля не вращалась, то каждое из небесных тел должно бы в течение суток пройти громадный путь (каждое со своей особой скоростью), так как они находятся от Земли на различных расстояниях и ежесуточно видны на прежнем месте.

Совершенно фантастической скоростью должны бы обладать даже ближайшие небесные тела, чтобы успеть в течение суток совершить полный круговой путь вокруг неподвижной Земли.

Солнце, Луна, планеты, вращаются вокруг своих осей (Земля - планета).

7. Можно ли, поднявшись на стратостате, попасть в... Америку?

Рис. 9. Можно ли попасть в Америку, поднявшись на стратостате? (Масштаб в рисунке не соблюден)

Вопрос этот связан с вращением Земли. В первый момент может возникнуть мысль, что с шара, отделившегося от поверхности Земли, можно заметить ее вращение, а следовательно, дождавшись, когда Америка "подойдет" под неподвижно висящий стратостат, можно опуститься на этот материк.

Но такой проект невыполним: шар, поднявшись от поверхности Земли, продолжает участвовать в ее вращении. Всякий предмет, отделившийся от Земли (даже если бы он оказался выше атмосферы), двигался бы по инерции в ту же сторону, как и покинутая им точка Земли.

8. Как без приборов доказать, что Солнце больше Луны?

С Земли Солнце и Луна, если сравнивать их при одинаковом возвышении над горизонтом, кажутся одинаковыми по величине.

Многие знают, что Солнце находится дальше Луны, но доказать это затрудняются, хотя еще наблюдатели древности хорошо знали это и умели доказать. При затмении Солнца Луна своим непрозрачным телом закрывает Солнце частью или полностью: следовательно, Луна к нам ближе, чем Солнце.

Теперь ответ найден. Солнце, находясь дальше Луны, не уступает ей по видимым размерам, - следовательно, оно во всяком случае больше Луны по своим истинным размерам.

Приведем несколько цифр. С помощью точных приборов ученые определили расстояние до этих светил. Среднее расстояние от Земли до Луны 384000 км (приблизительно 300 поездок из Москвы в Ленинград и обратно). Среднее расстояние от Земли до Солнца равно почти 150 000 000 км; "красная стрела", доставляющая пассажиров из Ленинграда в Москву через 10 часов, привезла бы на Солнце... четвертое или еще более далекое поколение: на весь путь ей потребуется 265 лет! Определив видимые диаметры Солнца и Луны и зная расстояние от Земли до этих светил, мы можем определить и их истинные размеры. Если бы мы Луну "отодвинули" до 150 000 000 км от Земли (в 390 раз больше действительного удаления), то, конечно, не могли бы ее видеть без сильных телескопов. Земля больше (по объему) Луны в 50 раз, а Солнце больше Земли в 1 300 000 раз.

Внутри Солнца поместилось бы шестьдесят пять миллионов лунных шаров при сплошном заполнении.

Рис. 10. Если объем Земли представить одной игральной шашкой, то объем Солнца надо представить столбом из 1300 000 шашек. (Столб вышиной в 13 км)

Уменьшим мысленно размер Земли до величины одной игральной шашки. Тогда поставленный на Земле столб из 1300000 шашек, изображающий Солнце, достиг бы высоты стратосферы (рис. 10).

9. Почему солнечные и лунные затмения не происходят каждый месяц?

Рис. 11. Когда бывают солнечные и лунные затмения. (Справа солнечное, слева лунное затмение)

Солнечные затмения происходят, когда Луна находится между Солнцем и Землей; лунные затмения могут быть только в полнолуния. Казалось бы, в течение каждого месяца должно быть одно солнечное затмение, а через 14 дней после него - лунное. Однако, затмения редки: за 18 лет и 11 дней на всей Земле наблюдается 41 солнечное затмение и 29 затмений Луны. Солнечные затмения наблюдаются не всюду, так как лунная тень захватывает сравнительно небольшую часть земной поверхности. Затмение Луны одновременно наблюдается во всех местах Земли, где Луна может быть в это время видима; поэтому в одном и том же месте чаще наблюдаются затмения Луны, нежели затмения Солнца.

Почему же затмения редки? Объясняется это тем, что орбита (путь) Луны не совпадает в точности с плоскостью орбиты Земли; между ними угол около 5^о. Поэтому при каждом новолунии лунная тень близко проходит около Земли, но сравнительно редко задевает последнюю. По той же причине редки и лунные затмения: Луна в полнолуние хотя близка от Земной тени, но чаще проходит мимо нее.

Рис. 12. Наклон лунной орбиты к земному пути. Показаны также фазы Луны

Зная законы движения небесных светил, расстояния их от Земли, можно задолго вычислить, когда и где будут видимы солнечные и лунные затмения. Так ученые и сделали.

Рис. 13. Карта солнечного затмения 19 июня 1936 г. На обложке изображен момент затмения для Туапсе

19 июня 1936 г. на большом пространстве нашей страны будет наблюдаться полное солнечное затмение. Особенно хорошо должно быть видимо затмение в Сибири и на Дальнем Востоке, где пройдет полоса полного затмения.

Кстати, сообщим читателям "расписание" полных солнечных затмений, видимых (хотя бы частично) в СССР до 1950 года включительно. Полные затмения Луны (до 1950 г.) произойдут в следующие годы:^*

^*( Время всюду указано "московское" с учетом перевода часов на час вперед. Затмения будут видимы на всей территории СССР)

Многие слышали о пятнах на Солнце, и большинство, вероятно, убеждено, что они - признак близкого угасания Солнца. Это заблуждение.

Если бы солнечные пятна действительно означали остывание Солнца, то их число и площадь, занимаемая ими, беспрестанно увеличивались бы, чего не наблюдается. Солнечные пятна - явление периодическое; в течение 11 1/8-года (в среднем) наблюдается увеличение числа и размера пятен, а затем заметно уменьшается как количество, так и величина самих пятен. Исследованиями установлено, что в годы увеличения числа пятен Солнце выделяет даже больше тепла, чем во время их уменьшения - минимума.

Рис. 14. Связь между солнечными пятнами и магнитными бурями. Пунктирная линия показывает интенсивность солнечной деятельности, непрерывная - интенсивность магнитных явлений на Земле

Происхождение солнечных пятен связано с увеличением активной деятельности на поверхности Солнца, что, конечно, в свою очередь, связано с изменением состояния в его внутренних сдоях. В это время на Солнце замечается увеличение извержений (протуберанцов). При прорывах оболочки Солнца вырываются вместе с другими веществами сильно сжатые газы, которые, расширяясь, несколько охлаждаются, создавая впечатление пятна на поверхности Солнца. Называя затемненное место на Солнце "темным пятном", надо помнить, что это название довольно условно: температура самой темной части пятна не менее 4000^о, а температура полутени (полоска, окружающая центральную часть пятна) 5000^о; остальные же части солнечной поверхности имеют температуру примерно в 6000^о. На фоне такой раскаленной оболочки несколько менее нагретые части кажутся темными.

Увеличение и уменьшение числа и площади пятен, связанное с периодическим возрастанием и ослаблением солнечного излучения, отражается на некоторых земных явлениях. Доказана несомненная связь между максимумом солнечных пятен и периодичностью "магнитных бурь". Увеличивается интенсивность полярных сияний в годы максимума солнечного излучения: потоки электронов, несущихся от Солнца, производят в верхних слоях земной атмосферы световой эффект - полярные сияния, хорошо известные жителям северных стран. Установлена подобная же связь между грозовыми явлениями и максимумом и минимумом солнечных пятен.

11. Какая разница между Солнцем, звездой, планетой и кометой?

Изучение ответов, поступавших на этот вопрос, показало автору, что словом "планета" часто определяют всякое небесное светило: и Солнце, и звезды, и пр. Здесь однако необходима полная ясность.

Звезды - это далекие солнца, громадные раскаленные небесные светила. Ближайшая звезда - наше Солнце.

Планеты - холодные миры; они светят отраженным светом Солнца. Мы знаем только планеты солнечной системы.

Кометы - небесные тела, состоящие преимущественно из мелких частиц, разделенных значительными промежутками. Большинство комет не принадлежит к солнечной системе, но есть кометы, периодически появляющиеся в солнечной системе (к 1934 г. известно 34 периодических кометы). Кометы - "хвостатые светила"; хвост кометы состоит из мельчайших частиц. В древние и средние века хвостатые кометы наводили ужас на невежественные массы, чем умело пользовались служители церкви для одурманивания населения.

Ежегодно ученые с помощью телескопов открывают несколько новых комет, называемых обычно именами ученых, впервые заметивших их. К числу таких комет, невидимых невооруженному глазу, принадлежит и наблюдавшаяся в 1934-1935 гг. комета Джонсона.

Не все знают, как отличить на небе планеты от звезд. Приведем внешние признаки планеты.

Планеты перемещаются между неподвижными звездами; звезды кажутся неподвижными по отношению друг к другу